Przewodnik po pompach ciepła – aspekty ogólne

POMPY CIEPŁA – WPROWADZENIE

Ograniczone zasoby paliw i światowa orientacja na ochronę środowiska to aspekty, które zwróciły uwagę na możliwość wykorzystania odnawialnych źródeł energii. Dziś te pompy ciepła to bezpieczne, wydajne i innowacyjne urządzenia grzewcze, charakteryzujące się ekonomiczną pracą pod względem zużycia energii elektrycznej.

Pompy ciepła – to urządzenia, które zapewniają niezbędne warunki techniczne do efektywnego wykorzystania energii słonecznej zgromadzonej w wodach podziemnych, w glebie lub w powietrzu, w postaci ekologicznego ciepła, do ogrzewania lub chłodzenia pomieszczeń oraz do przygotowania ciepłej wody użytkowej.

Pompa ciepła uzyskuje około trzech czwartych wymaganej energii z otaczającego środowiska, aw pozostałej części pompa ciepła wykorzystuje prąd elektryczny jako energię napędową.
Nowoczesne pompy ciepła oferują efektywne techniczne możliwości zmniejszenia zużycia energii i emisji CO2. Podczas modernizacji starych budynków, jak również nowych budynków pompa ciepła jest dobrą alternatywą.

W artykule omówiono podstawowe zasady technologii pomp ciepła, główne warianty techniczne oraz zilustrowano najważniejsze aspekty zastosowań integrujących te urządzenia.

DLACZEGO POMPA CIEPŁA?

1. Motywacja ekonomiczna

1.1 Zmniejszone koszty operacyjne

• w zależności od typu pompy ciepła do 3/4 energii grzewczej można pozyskać z otoczenia (bezpłatnie)
• za pomocą sprężarki (napędzanej elektrycznie) pompa ciepła podnosi temperaturę czynnika grzewczego pobieranego z otoczenia do temperatury wymaganej w systemie ogrzewania domu
• z pompą ciepła energia słoneczna zgromadzona w środowisku może być wykorzystywana przez cały rok!

1.2 Niezależność od paliw kopalnych

Źródła energii wykorzystywane przez pompę ciepła są dostępne na wyciągnięcie ręki, całkowicie niezależnie od dostępności czy ceny paliw kopalnych.

2. Komfort

System grzewczy z pompami ciepła oferuje najwyższy stopień komfortu i najłatwiejszą obsługę. System dystrybucji ciepła stosowany zwykle w połączeniu z pompami ciepła (ogrzewanie podłogowe, ogrzewanie ścienne, systemy ogrzewania niskotemperaturowego) gwarantuje komfortowy i zdrowy klimat.

Modele odwracalnych pomp ciepła (woda-woda lub grunt-woda) mogą również zaspokajać zapotrzebowanie na chłodzenie latem.

Systemy pomp ciepła są na ogół bardzo ciche, w pełni zautomatyzowane i nie wymagają okresowych czynności konserwacyjnych.

Nie ma potrzeby posiadania magazynu paliwa, usuwania popiołu i czyszczenia komina.

3. Bezpieczeństwo na przyszłość

Wybór systemu grzewczego to decyzja na wiele lat. Pompy ciepła to najnowocześniejsza dostępna obecnie technologia ogrzewania.

Dziś pompy ciepła zastępują nie tylko systemy grzewcze opalane drewnem, paliwem płynnym czy węglem, ale coraz częściej również systemy wykorzystujące gaz ziemny.

Dodatkowo pojawia się pytanie: czy za 20 lat będzie nas stać na koszty ogrzewania? Z każdym wzrostem cen paliw kopalnych koszt ogrzewania pompami ciepła staje się korzystniejszy w porównaniu do ogrzewania gazem, paliwami płynnymi czy pelletem.

Niezależnie od wzrostu ceny prądu, przy pompie ciepła 3/4 zużywanej energii jest i pozostaje darmowe.

4. Bezpieczna obsługa

Pompy ciepła wytwarzają energię cieplną w cyklu termodynamicznym, bez spalania paliwa. Ten aspekt znacznie zmniejsza ryzyko wypadków! Ponadto pompy ciepła pracują z niepalnymi czynnikami chłodniczymi.

5. Idealny zarówno do nowych budynków, jak i do renowacji istniejących budynków

Pompy ciepła mogą być stosowane do ogrzewania i chłodzenia nowych budynków i budowli o niskim zużyciu energii (tam, gdzie większość konwencjonalnych systemów nie jest dostępna lub nie jest dogodna do wdrożenia pod względem technicznym lub ekonomicznym ze względu na niskie moce cieplne). Również tam, gdzie istnieje już nowoczesny system grzewczy wykorzystujący paliwa kopalne i pożądana jest redukcja kosztów, pompy ciepła mogą być stosowane jako dodatkowe systemy grzewcze (praca biwalentna).

6. Wiele funkcji

Pompy ciepła mogą zapewnić ogrzewanie przez cały sezon zimowy, chłodzenie przez cały sezon ciepły (z niewielkimi modyfikacjami) oraz ciepłą wodę użytkową przez cały rok.

7. Ekologiczny

Spalanie paliw kopalnych do ogrzewania domów i biur stanowi obecnie jedno z największych źródeł produkcji CO2. Pompy ciepła produkują energię cieplną bez zanieczyszczeń wykorzystując energię z otoczenia.

JAK DZIAŁA POMPA CIEPŁA?

Działanie pompy ciepła – prosta zasada z wyjątkowymi efektami!

Niezależnie od rodzaju, te pompy ciepła można postrzegać jako urządzenia podnoszące temperaturę środowiska pracy, wykorzystując dodatkową ilość energii do wytworzenia energii użytkowej.

Zasada działania pompy ciepła jest zasadniczo taka sama, jak urządzenia, z którego korzystamy na co dzień: lodówki. Ta sama technika, tylko z odwrotnym zastosowaniem; w przypadku lodówki czynnik chłodzący odbiera ciepło z żywności i oddaje je do otoczenia. Pompa ciepła pobiera ciepło z otoczenia (gruntu, wody lub powietrza) i przekazuje je do systemu grzewczego w postaci energii cieplnej.

1. Parownik - odbieranie ciepła z otoczenia (gleba, woda, powietrze)

W parowniku znajduje się płynny czynnik roboczy pod niskim ciśnieniem (czynnik chłodniczy). Jest to substancja o niskiej temperaturze wrzenia. Temperatura źródła (gleby, wody lub powietrza) jest wyższa niż temperatura wrzenia odpowiadająca ciśnieniu czynnika chłodniczego. Ta różnica temperatur prowadzi do przenoszenia ciepła z otoczenia do czynnika roboczego, który wrze i odparowuje. Ciepło potrzebne do odparowania pochodzi z zewnętrznego źródła ciepła (gleba, woda, powietrze).

2. Sprężarka - wzrost temperatury

Opary powstające z czynnika roboczego są w sposób ciągły odsysane z parownika przez sprężarkę. Czynnik chłodniczy jest sprężany do temperatury wymaganej do ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej.

Proces sprężania ma zasadnicze znaczenie dla wydajności pompy ciepła. W całej gamie pomp ciepła stosowane są sprężarki typu Compliant Scroll, składające się z dwóch spiral (jednej stałej i jednej ruchomej), które w sposób ciągły sprężają czynnik roboczy. Sprężarki Compliance są całkowicie hermetyczne, mają znacznie dłuższą żywotność i są cichsze niż modele tłokowe stosowane w przeszłości w pompach ciepła.

3. Kondensator – Przekazywanie ciepła do instalacji grzewczej

Opary czynnika roboczego (czynnika chłodniczego) docierają do skraplacza pompy ciepła, który jest otoczony czynnikiem grzewczym. Temperatura czynnika termicznego jest niższa niż temperatura skraplania czynnika roboczego, więc opary ochładzają się i skraplają.

Energia (ciepło) pobierane przez parownik plus ciepło wytwarzane podczas procesu sprężania (w sprężarce) jest uwalniane w skraplaczu i przekazywane do czynnika grzewczego w postaci energii użytecznej do ogrzewania.

4. Zawór rozprężny – obwód zamyka się

Czynnik roboczy jest później zawracany do parownika przez zawór rozprężny. W ten sposób czynnik roboczy przechodzi z wysokiego ciśnienia skraplacza do niskiego ciśnienia parownika. Na wejściu do waporyzatora osiągane są początkowe wartości ciśnienia i temperatury. Obwód jest więc zamknięty.

POMPY CIEPŁA – GŁÓWNE ELEMENTY
SKĄD MAMY CIEPŁO?

Gleba, woda i powietrze to pierwiastki dostępne w nieograniczonych ilościach do wykorzystania jako źródło dla pompy ciepła.

W każdym indywidualnym przypadku najkorzystniejsze źródło energii zależy od lokalnych warunków, lokalizacji budynku i jego zapotrzebowania na ciepło.

Źródła energii, aby mogły być wykorzystywane w praktyce, muszą spełniać kilka warunków:

• dostępność w wystarczającej ilości
• maksymalna pojemność pamięci
• możliwie najwyższy poziom temperatury
• wystarczająca regeneracja
• przechwytywanie gospodarcze

Ziemia

Grunt ma tę właściwość, że może akumulować i zatrzymywać energię słoneczną przez dłuższy czas, co prowadzi do w przybliżeniu stałego poziomu temperatury przez cały rok, a co za tym idzie do pracy pomp ciepła o wysokim współczynniku wydajności.

Temperatura w glebie wynosi od 7 do 13°C przez cały rok (na głębokości 2 m).
Ciepło pobierane z otoczenia jest przekazywane do odparowywacza gruntowo-wodnej pompy ciepła poprzez mieszaninę woda-środek zapobiegający zamarzaniu (woda słona); temperatura zamarzania tego roztworu wynosi około -15°C.
Ciepło zgromadzone w gruncie odbierane jest przez wymienniki ciepła montowane poziomo - zwane także kolektorami gruntowymi - lub przez wymienniki montowane pionowo - sondy gruntowe.

Kolektory umieszczane w gruncie - kolektory poziome

Ciepło z gruntu odbierane jest za pomocą plastikowych rurek - polietylenowych - osadzonych w gruncie na dużej powierzchni.

Rury układane są równolegle, w gruncie, na głębokości od 1,2 do 1,5 m iw zależności od średnicy rury w odległości ok. 0,3 do 0,7 m, tak aby na każdym metrze kwadratowym powierzchni przechwytywania ok. 1,43 do 2m rury.

Ilość ciepła, które można wykorzystać, a tym samym wielkość wymaganej powierzchni, zależy w dużej mierze od jakości gleby. Decydującymi wielkościami w tym aspekcie są przede wszystkim: ilość wody w glebie, ilości składników mineralnych oraz wielkość porów wypełnionych powietrzem. Zdolność akumulacyjna i przewodność cieplna są tym większe, im bardziej gleba jest zwilżona wodą i im większa jest zawartość składników mineralnych, a liczba porów jest mniejsza. Wartości mocy właściwej odciągu dla gleby mieszczą się w przedziale od 10 do 35 W/m2.

W przypadku stosowania kolektorów poziomych nie należy sadzić wokół rur roślin o bardzo głębokich korzeniach. Regeneracja gleby odbywa się już od drugiej połowy sezonu grzewczego poprzez nasłonecznienie i obfitsze opady, dlatego trzeba mieć pewność, że „akumulator” glebowy jest gotowy do ponownego ogrzewania na kolejny sezon.

Sondy glebowe

Ze względu na duże powierzchnie terenu potrzebne do zainstalowania kolektorów poziomych, czasami realizacja systemu jest utrudniona ze względów przestrzennych.

Na małych powierzchniach sondy glebowe stanowią alternatywę dla kolektora umieszczonego poziomo w gruncie. Można je wkładać na głębokości od 50 do 150 m.

Sondy są zwykle wykonane z rurek polietylenowych i zwykle montuje się cztery równoległe rurki (sonda dwururowa o profilu U).

Mieszanina woda-płyn niezamarzający przepływa do najniższego poziomu dwoma przewodami i dwoma pozostałymi wraca do parownika pompy ciepła. W ten sposób rama jest pobierana z ziemi na całej długości rur. Przestrzenie między rurami a gruntem należy wypełnić materiałem o dobrej przewodności cieplnej (bentonit).

Moc ekstrakcji jest bardzo różna, od 20 do 100 W/m długości sondy.

Wody gruntowe

Wody podziemne są również dobrym akumulatorem energii słonecznej. Nawet w najzimniejsze zimowe dni temperatura waha się między 7 a 12°C. Jednak woda gruntowa nie jest dostępna w wystarczających ilościach i odpowiedniej jakości na wszystkich obszarach.

Aby wykorzystać ciepło, należy wykonać dwie studnie: jedną ssącą i jedną pochłaniającą (odwadniającą); należy zapewnić między nimi odległość co najmniej 5 metrów, a lokalizację wybrać tak, aby kierunek przepływu wody był od studni ssącej do studni chłonnej.

Woda z jezior i rzek nadaje się również do wykorzystania jako źródło ciepła, ponieważ pełnią one również funkcję akumulatora ciepła.

Powietrze

Powietrze jest najtańszą opcją, gdy jest wykorzystywane jako źródło dla pompy ciepła.

Pompy ciepła powietrze/woda wykorzystują jako źródło ciepła powietrze zewnętrzne, które kierowane jest kanałami powietrznymi przez wbudowany w urządzenie wentylator do parownika, który odbiera ciepło z powietrza.

Marnować ciepło

Wśród źródeł, które można wykorzystać wraz z pompą ciepła, najbardziej efektywne jest ciepło odpadowe, zapewniające najwyższe parametry wydajnościowe. Ma jednak wadę w postaci bardzo ograniczonej dostępności.

Nazwę pompy ciepła określa czynnik roboczy w obiegu pierwotnym i wtórnym. Przez obieg pierwotny rozumiemy tutaj źródło ciepła (powietrze, gleba, woda), a obieg wtórny to instalacja grzewcza.

*Pompy ciepła grunt-woda występują również pod nazwą „pompy ciepła woda-słona woda”. Nazwa ta pochodzi od medium zastosowanego w obiegu pierwotnym (źródle) do wymiany ciepła; w tym celu stosuje się mieszaninę wody i płynu niezamarzającego ( tyfocor ), zwaną po angielsku „solanką” lub „solą” po niemiecku. Tryb pracy pomp ciepła dostosowuje się do istniejącej instalacji grzewczej w budynku, w przypadku starszych budynków, dla których przeprowadzane są modernizacje. W takim przypadku należy wziąć pod uwagę maksymalną temperaturę, jaką pompy ciepła mogą osiągnąć w jednym cyklu (między 55 a 65°C).

W przypadku systemów już zwymiarowanych powyżej tego poziomu temperatury pompy ciepła mogą pracować tylko razem z innym generatorem ciepła. W nowych budynkach można wybrać system dystrybucji ciepła. W takim przypadku, biorąc pod uwagę najwyższe roczne parametry temperatury zewnętrznej, wybrany zostanie system grzewczy o maksymalnej temperaturze na rundę 35°C (ogrzewanie podłogowe, ściany itp.).

Z technicznego punktu widzenia można wyróżnić następujące reżimy pracy:

• Monowalentny tryb pracy – pompa ciepła jako jedyne źródło ciepła musi pokryć potrzeby grzewcze całego budynku
• Monoenergetyczny tryb pracy – pompa ciepła jest stosowana w połączeniu z innym systemem grzewczym, który pracuje na energię elektryczną
• Tryb pracy biwalentny – pompa ciepła stosowana jest w połączeniu z innym źródłem ciepła pracującym na paliwo stałe, płynne lub gazowe.

Do oceny pompy ciepła lub kompletnego systemu pompy ciepła najważniejszymi czynnikami są współczynnik wydajności i roczny współczynnik wydajności.

Współczynnik wydajności i roczny współczynnik wydajności

Stosunek użytecznej energii cieplnej do energii elektrycznej napędu przejętej przez sprężarkę nazywany jest „wskaźnikiem mocy chwilowej” lub „współczynnikiem wydajności”.

Współczynnik wydajności (COP) = określona przez producenta, wartość laboratoryjna

Roczny współczynnik wydajności (FPA) = stosunek ciepła pobranego w ciągu roku do całkowitej energii zużytej w ciągu roku

Ogólnie rzecz biorąc, współczynnik wydajności wzrasta wraz ze spadkiem różnicy temperatur między źródłem a systemem grzewczym.

Wzór empiryczny:

• Wzrost temperatury w obiegu grzewczym o jeden stopień powoduje spadek COP o 2,5%
• Wzrost temperatury źródła o jeden stopień prowadzi do wzrostu COP o 2,7%.